Плоскополяризованный свет.

С точ­ки зрения классической волновой теории света, световая волна представляет собой поперечные колебания электрического вектора и перпендикулярного к нему магнитного вектора.

Поперечные волны обладают особым, присущим только им, свойст­вом известным под названием поляризация. Под этим термином понимается пространственное соотношение между направлением распространения светового луча и направлением колебания вектора напряженности электрического (или магнитного) поля. Теория Максвелла для элект­ромагнитной волны утверждает, что векторы напряженности электрического и магнитного полей лежат в плоскости, перпендику­лярной направлению распространения света, но не накладывает ни­каких ограничений на их поведение в этой плоскости.

Если при распространении световой волны направление колебаний электрического вектора бессистемно и хаотически изменяется с равной амплитудой и, следовательно, любое из его направлений в плоскости, перпендикулярной распространению волны, равновероят­но, то такой свет называют неполяризованным, или естественным.

Если направление по­перечного колебания вектора фиксировано в одной из возможных плоскостей, световая волна является плоскополяризованной. Упомянутая плоскость и является плоскостью поляризации. Схематически можно изобразить направление колебаний в сечении попе­речной волны естественного света (распространяющейся перпен­дикулярно к плоскости рисунка) так, как это показано на рис. 14,a. На рис. 14,б, изображен плоско-поляризованный свет с определенной (на рисунке вертикальной) плоскостью колебаний вектора. Плоскость, образованная направлением распространения электро­магнитной волны и направлением колебаний вектора напряженности электрического поля, называется плоскостью поляризации электромагнитной волны.

а) б)

Рис.14. Направление колебаний в сечении поперечной волны естественного (а) и плоскополяризованного света (б).

Для превращения естественного света в плоскополяризованный пользуются либо кристаллическими призмами Николя или поляризационными светофильтрами.

Экспериментальная часть.

Цель работы  определение углов поворота плоскости поляризации растворами оптически активной сахарозы.

Количественной мерой оптической активности является угол вращения плоскости колебаний поляризованного луча, называемый углом вращения плоскости поляризации. Угол вращения плоскости поляриза­ции  прямо пропорционален концентрации активного вещества с и толщине слоя l, потому что суммарное вращение определяется числом молекул, которые встречает на своем пути поток света (Био, 1831 г.):

_= [_]cl, (2)

где [_] - коэффициент пропорциональности (или удельное вращение) оптически активного вещества, зависящий от длины волны, температуры и природы растворителя. Если концентрацию c выразить в граммах на 100 см³, l = 10 см, тогда:

_= ([_]cl )/100. (3)

Молярное вращение [M] определяют из уравнения [M] = ([_]M)/100, где М - молярная масса оптически активного вещества. Для определения концентрации оптически активного вещества по углу вращения считают, что удельное вращение равно углу вращения (выраженному в градусах) в слое раствора толщиной 0,1 М, содержащего 1 г вещества в 1 см³ раствора при 20°С (293 К) и при длине волны =589 нм. Зная угол вращения, удельное вращение и

тол­щину слоя раствора, легко рассчитать концентрацию раствора.

Рис. 15. Схема поляриметра.

Определение углов вращения _ проводится при помощи поляриметра (рис.15.).

Основными частями поляриметра являются поляризатор 1 и анали­затор 3, которые состоят из призм Николя. Анализатор может вращать­ся вокруг оптической оси прибора, что позволяет измерить угол пово­рота плоскости поляризации. В поляриметре типа П-161 применен прин­цип уравнения яркостей разделенного нa три части поля, которые от­личаются по яркости (см. рис. 15. а-в). Если между анализатором и по­ляризатором ввести кювету 2 с оптически активным веществом, то равенство яркостей поля нарушится. Вращая анализатор 3, выравнивают яркость поля. Разностью двух отсчетов, соответствующих равенству яркостей трех частей поля с оптически активной жидкостью и без нее, определяется угол поворота анализатора, который совпадает с углом поворота плоскости колебаний поляризованного луча.

Оборудование и реактивы:

1. Поляриметр.

2. Стандартные растворы оптически активного вещества; 5, 10, 15, 20-мас.% растворы сахарозы.

3. X₁, Х₂, X₃, Х₄  растворы сахарозы, с концент­рацией, подлежащей определению.

4. Фильтровальная бумага, химический стакан для слива растворов.

5. Дистиллированная вода.

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с устройством поляриметра. Проверить поло­жение нулевой точки в отсутствие поляриметрической кюветы в приборе. Полутеневое положение (рис. 15,б) должно соответ­ствовать нулю по шкале поляриметра (нулевое положение поляриметpa.).

2. При наполнении кюветы необходимо следить за тем, чтобы в нее не попал воздух. Чтобы правильно заполнять кювету без пузырьков возду­ха, предварительно необходимо научиться наполнять ее водой. Кювету следует наполнять так, чтобы жидкость образовывала у верхнего среза трубки выпуклый мениск, затем осторожно надвинуть сбоку покровное стеклышко и на­винтить кольцо, прижимающее стекло к торцу трубки. Повторить опыт по заполнению кюветы водой 2-3 раза, добиваясь отсутствия пузырьков через некоторое время после заполнения. Осторожно вращая анализатор, добиться равномерного затем­нения оптических полей. Отсчет угла вращения () следует проводить только после получения четкого изображения шкалы и поля зрения при повороте соответствующих колец на зрительной трубке поляриметра.

3. Снять нулевой отсчет, для чего необходимо, промыть кювету небольшим количеством 5%-ного раствора сахарозы и заполнить кювету этим раствором. Заполненную трубку протереть сна­ружи фильтровальной бумагой, обращая особое внимание на чистоту, сухость и прозрачность стекол, закрывающих концы трубки. Помес­тить в поляриметр. Измерение углов вращения 5, 10, 15 и 20%-но­го растворов сахарозы повторить несколько раз и определить сред­нее значение _ср для каждого стандартного раствора.

Угол поворота анализатора отсчитывается следующим образом (см. рис.16.).

а)

б)

Рис.16. Шкала прибора анализатора.

Число целых градусов определяют по последнему делению шкалы (а) справа от нуля (положительный угол вращения "+") или слева (отрицательный угол вращения, "-"). Десятые доли градуса на правой (левой) части шкалы (б) по делению, совпадающему в данном положении с каким-либо делением шкалы (а). Определение угла повторить 2-3 раза.

4. В полученные значения углов ввести поправку, найденную при заполнении кюветы водой. Получить у преподавателя растворы сахарозы неизвестной концентрации. Измерив угол вращения исследуемого раствора, определить его концентрацию по калибровоч­ному графику.

5. Рассчитав средние значения углов для стандартных растворов сахаро­зы (5, 10, 15, 20%) построить калибровочный график зависимости углов вращения от концентрации растворов сахарозы.

6. Рассчитать неизвестную концентрацию сахарозы, используя среднюю концентрацию с₁₀ и измеренный угол вращения раствора с неизвестной концентрацией (например с_Х2). Так как ₁₀ = []с₁₀l и _Х2 = []с_Х2l, то ₁₀ /_Х2 = ([]с₁₀l) / ([]с_Х2l), откуда C_Х2 =(с₁₀ _Х2)/ ₁₀.

Оценить отклонение расчетного значения c_Х от величины, оп­ределенной графически.